Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса

Хотя телескопы MeerKAT и ASKAP являются предшественниками SKA и оба могут ловить сигналы FRB, технологически они устроены совершенно по-разному, что позволяет регистрировать FRB, обладающие разными характеристиками. Оба эти телескопа, как и старые телескопы Parkes и Arecibo, обозревают южную часть неба, и их расположение в Южном полушарии является более выигрышным для наблюдения центра Млечного Пути, чем если бы они располагались в Северном полушарии. Тарелки MeerKAT оснащены гораздо более чувствительными приемниками, способными обнаруживать удаленные объекты, тогда как ASKAP менее чувствителен, но зато имеет гораздо более широкое поле зрения. Это означает, что астрономы могут наблюдать гораздо больший участок неба, что позволяет им детальнее разглядывать более близкие объекты и их окружение.
Каждая антенна ASKAP оснащена системой, называемой фазированной антенной решеткой, технология которой в каком-то смысле похожа на технологию, позволяющую нам делать снимки камерой. Большинство радиотелескопов, имеющих в своем распоряжении одну тарелку, обычно являются однопиксельными, а вот Parkes благодаря установленному в его фокальной плоскости многолучевому (матричному) приемнику является тринадцатипиксельным. Все тарелки ASKAP, работая вместе, формируют виртуальный тридцатишестипиксельный телескоп, что подразумевает значительное улучшение поля зрения.
Чтобы поймать сигнал FRB, нужно, чтобы тарелки смотрели в разных направлениях, примерно так устроен глаз мухи. Это объясняет, почему, хотя строительство ASKAP еще не было закончено и задействовано было всего десять тарелок, астрономы уже поймали двадцать сигналов FRB19. Это очень хороший результат, смеется Шеннон, “учитывая, что в предыдущем десятилетии ученые зарегистрировали всего двадцать семь FRB”.
Помимо регистрации быстрых радиовсплесков с помощью антенных решеток, сотрудники ASKAP применили некую новейшую методику для регистрации источников всплесков, включая единичные. Команда предложила повернуть тарелки в одном направлении так, чтобы все они смотрели на одну и ту же область неба, и ждать вспышки FRB. Заставить все тридцать шесть антенн работать синхронно очень сложно технически. Но при такой конфигурации телескоп становится радиоинтерферометром, похожим на MeerKAT, и в таком режиме можно получать очень четкие изображения выбранных космических объектов. Идея состоит в том, что, как только вспышка FRB действительно произойдет, нужно в течение миллисекунды наблюдать ту часть неба, где произошла вспышка, и в течение этой миллисекунды заснять изображение места, откуда этот всплеск пришел, причем в реальном времени20. “Тогда вы бы увидели только вспышку и ничего больше, потому что вспышка затмевает все остальное”, – говорит Шеннон. Но искать FRB постоянно с помощью интерферометрии невозможно – вычислительная нагрузка была бы слишком большой. Поэтому, по словам вступившего в разговор Деллера, исследователи придумали хитрый трюк, заключавшийся в том, чтобы искать FRB так же, как высматривают добычу глаза мухи, но уже после сложения сигналов со всех тарелок, когда чувствительность антенной системы увеличена за счет того, что все тарелки направлены на один и тот же участок неба. Если ASKAP обнаруживает сигнал FRB, в течение примерно секундного интервала с телескопов запускается выгрузка необработанных данных для выполнения интерферометрических измерений и построения изображений в автономном режиме, и в этом случае процесс может идти медленнее, чем в реальном времени.
Утром 25 сентября 2018 года Шеннон и его коллега Адам Деллер просматривали результаты наблюдений за прошедшую ночь. И когда они увидели, что все антенны уверенно зарегистрировали быстрый радиовсплеск, они обрадовались. Затем они попытались определить его местонахождение, для чего Деллер взял исходные, сырые данные, обработал их и получил изображение. По словам Деллера, технически это было очень сложно, ведь “просто заметить быстрый радиовсплеск не так трудно, а вот для получения изображения, позволяющего определить, откуда он появился, требуется множество дополнительных калибровок”. Сигналы от всех тарелок должны быть точно упорядочены по времени, причем с субнаносекундной точностью, а для построения изображения нужно еще и провести их цифровую обработку. Процесс сбора всех данных и расчета корреляций занял у Деллера два дня, но в конце концов ему удалось построить изображение на экране компьютера, которое представляло собой карту с меткой, указывающей, откуда пришел FRB. “И мы воскликнули что-то вроде: «Боже, там есть галактика!» Это был действительно очень волнующий момент”, – улыбается Деллер.
 
Удивительно, но команда обнаружила, что родительская галактика источника всплеска находится примерно в четырех миллиардах световых лет от нас и сильно отличается от той, откуда посылает свои всплески репитер. “Эта галактика крупнее, и там меньше звездообразования, – говорит Шеннон. – В ней гораздо больше старых звезд”. Кроме того, похоже, что, в то время как репитер находится в очень плотной и довольно сильно намагниченной плазме, в соответствии с теорией, согласно которой магнетары находятся внутри плотных намагниченных остатков сверхновой, среда, в которой произошла однократная локализованная вспышка, совсем другая. Мы также знаем, что первый репитер соответствовал очень яркому радиоисточнику, при этом не будем забывать, насколько далеко от нас он находился. “В случае зарегистрированного нами источника всплеска мы ничего такого не видим, – говорит Шеннон. – Так имеют ли вообще эти объекты что-то общее друг с другом?”
На той же неделе в августе 2019 года, когда была опубликована статья Шеннона о локализации единичного всплеска, вышла еще одна статья, написанная командой радиообсерватории OVRO Калифорнийского технологического института, расположенной в горах Сьерра-Невада. Калтеховские астрономы, используя десять антенн по четыре с половиной метра в поперечнике, образующих антенную систему Deep Synoptic Array-10 (предшественницу будущей антенной системы Deep Synoptic Array со ста десятью антеннами), определили положение источника FRB, чья родительская галактика находится на расстоянии 7,9 миллиарда световых лет от нас. Этот единичный всплеск также произошел в галактике с очень слабым звездообразованием21.
Шеннон считает, что события, вызвавшие эти две вспышки, могли произойти с быстро эволюционирующей двойной системой, например, это могло быть слияние белых карликов или нейтронных звезд. Может оказаться, что все повторяющиеся всплески генерируются молодыми магнетарами, а единичные возникают при слияниях или еще каких-то катастрофах. Как что-то может породить такой мощный радиовсплеск, на много порядков превышающий все то, что мы находим в нашем Млечном Пути? “Пульсары – удивительные объекты. А эти штуки еще в миллиард раз удивительнее”, – взволнованно говорит Шеннон.
Теперь и на родине Шеннона, в Канаде, телескоп CHIME ловит FRB десятками. В январе 2019 года команда CHIME сообщила об обнаружении шести повторяющихся всплесков от FRB 180814. J0422 + 73, и это был второй зарегистрированный репитер после всплеска Спитлер и один из тринадцати FRB, обнаруженных CHIME на этапе проведения пусконаладочных работ в июле и августе 2018 года22.
Позже в том же году, когда был завершен монтаж канадского телескопа, астрономы зарегистрировали еще семнадцать всплесков: про восемь они сообщили в августе и еще про девять – в январе 2020 года23. Второй репитер астрономы локализовали в октябре 2019 года – его родительская галактика очень похожа на наш Млечный Путь, но совершенно не похожа на галактику, в которой живет источник первых повторяющихся всплесков. К тому времени, когда эта книга выйдет в свет, будет обнаружено еще много всплесков FRB – благодаря работе CHIME, ASKAP, Parkes и других телескопов, охотящихся за FRB по всему миру, ведь теперь астрономы гораздо лучше понимают, что они ищут [34].